Programa

Tudo se TransformaPilhas e Baterias

CONTEÚDOS DIGITAIS MULTIMÍDIA

Química3ª Série | Ensino Médio

Pilhas e Baterias

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Objetivo geral:

Explicar a evolução e o funcionamento das pilhas.

Objetivos específicos:

Identificar a evolução das pilhas, começando com a

pilha de Daniell, precursora das pilhas secas atuais;

Reconhecer que as pilhas estão relacionadas com

fenômenos físicos e químicos;

Definir eletricidade;

Entender a eletrólise;

Explicar que as pilhas envolvem reações de

oxirredução.

Pré-requisitos:

Não há pré-requisitos.

Tempo previsto para a atividade:

Consideramos que uma aula (45 a 50 minutos cada)

será suficiente para o desenvolvimento das ativida-

des propostas.

Vídeo (Audiovisual)

Programa: Tudo se Transforma

Episódio: Pilhas e Baterias

Duração: 10 minutos

Área de aprendizagem: Química

Conteúdo: Pilhas e Baterias

Conceitos envolvidos: corrente elétrica, circuito fechado, eletroquímica,

Físico-química, pilha de Daniell e reação de oxirredução.

Público-alvo: 3ª série do Ensino Médio

Coordenação Didático-Pedagógica

Stella M. Peixoto de Azevedo Pedrosa

Redação e Revisão

Camila Welikson

Projeto Gráfico

Eduardo Dantas

Diagramação

Romulo Freitas

Revisão Técnica

Nádia Suzana Henriques Schneider

Produção

Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro

Realização

Fundo Nacional de Desenvolvimento da Educação

Ministério da Ciência e Tecnologia

Ministério da Educação

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s IntroduçãoO programa Tudo se Transforma adota o formato de um

documentário televisivo. O episódio intitulado Pilhas e

Baterias tem como foco contar a história da evolução das

pilhas, destacando seu funcionamento e sua utilidade. O

vídeo traça uma linha do tempo que explica as caracte-

rísticas e benefícios da pilha no passado, no presente e as

prováveis aplicações no futuro.

Verifique, com antecedência, a disponibilidade dos recursos

necessários para a apresentação do vídeo no dia previsto:

um computador ou um equipamento específico de DVD

conectado a uma TV ou projetor multimídia.

professor!

Tente criar um clima des-

contraído, que permita

aos alunos levantar ques-

tões sem acanhamento.

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1. DesenvolvimentoVocê pode começar a sua aula explorando a pergunta feita pelo narrador logo no início do episódio: como seriam as nossas

vidas sem a eletricidade? Este é um assunto que irá certamente instigar seus alunos a fazer comentários.

Deixe que eles exponham suas ideias e opiniões, desde que o façam de forma ordenada. Lembre que existem várias formas de

produzir energia, como diz o narrador, e a pilha é uma delas. Destaque a importância da Química nesse sentido.

Promova um clima de confiança, liberdade e respeito durante a dinâmica para que eles se sintam suficientemente seguros para

levantar hipóteses e propor explicações que levem a refletir sobre a relação entre o conhecimento químico, a tecnologia e a

vida social. Incentive, quando for possível, discussões que relacionam o que está sendo estudado com a visão de mundo deles.

De onde vem a eletricidade?

A eletricidade é um fenômeno físico, originado por cargas elétricas estáticas ou em movimento.

Para começar a explicar a eletricidade, é importante que os alunos compreendam que a Química está predominantemente envol-

vida com a matéria, enquanto a Física está relacionada com as formas de energia. Portanto, a eletricidade é um fenômeno físico.

Porém, no caso da eletricidade gerada pelas pilhas, a situação é um pouco diferente. As pilhas, assim como as baterias, perten-

cem ao mesmo tempo aos dois campos de estudo. É por essa razão que são caracterizadas como fenômenos físico-químicos.

Antes de continuar a falar sobre pilhas, você deve ter certeza que seus alunos compreenderam o que é eletricidade. Para isso,

explique que ela está presente por toda a parte. Podemos citar, por exemplo, o relâmpago, apresentado no início do vídeo, que é

simplesmente uma grande descarga elétrica produzida quando se forma uma enorme tensão entre duas regiões da atmosfera.

Em poucas palavras, a eletricidade pode ser definida como o fenômeno resultante da interação das partículas que formam a

matéria, em especial os elétrons. Utilize as imagens do vídeo para explicar a estrutura da matéria (os átomos e suas partículas

elementares, os prótons, elétrons e nêutrons) e a ocorrência da eletricidade.

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s Explique que no núcleo de um átomo existem os prótons e os nêutrons e ao redor do núcleo, existem os elétrons. Os prótons,

assim como os elétrons, se repelem; já entre um próton e um elétron há uma força de atração. Daí surge a propriedade tanto

do próton como do elétron chamada carga elétrica.

Mostre que um corpo pode ganhar ou perder elétrons. No primeiro caso, diz-se que ele é eletrizado negativamente, afinal, o

número de elétrons é maior do que o número de prótons. No segundo caso, diz-se que ele é positivamente eletrizado, afinal, o

número de prótons é maior do que o número de elétrons. A este fenômeno, dá-se o nome de eletrização.

Oxidação é quando ocorre perda de elétrons e redução é quando ocorre ganho de elétrons. Oxirredução é quando há perda

e ganho simultâneos de elétrons e isso ocorre porque os que são perdidos por um átomo, íon ou molécula são imediatamente

recebidos por outros.

A oxirredução está presente em diversos lugares, inclusive no funcionamento das pilhas e das baterias.

O funcionamento das pilhas

Viu só? Uma pilha não é um depósito de eletricidade. Na verdade o que ela faz é transformar um tipo de energia em outro.

Aproveite este momento para explorar mais o tema oxirredução. Repita que a produção de eletricidade nas pilhas envolve as

reações de oxirredução. Enfatize que elas englobam uma classe de reações químicas nas quais ocorre transferência de elétrons

de uma espécie química para a outra.

Faça com que seus alunos percebam que uma reação de oxirredução gera um fluxo de elétrons, uma corrente elétrica, pois

sempre ocorre perda de elétrons por uma espécie – a espécie redutora – ao mesmo tempo em que ocorre ganho de elétrons

por outra – a espécie oxidante.

Explique que esses elétrons se agrupam no terminal negativo de pilhas e baterias e que, portanto, ao conectar um fio entre o

terminal positivo e o negativo, dá-se início a um processo de fluidez dos elétrons de um terminal para o outro.

Resumindo, uma pilha é uma reação química que produz energia elétrica. Nas pilhas ocorre transferência espontânea de elé-

trons. A capacidade que uma espécie tem de ceder ou receber espontaneamente elétrons denomina-se “POTENCIAL”.

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Aquele que tem maior potencial de redução recebe elétrons daquele que tem menor potencial de redução. A diferença de po-

tencial de uma pilha - ddp - é o resultado de potencial de redução de uma semipilha (potencial maior, chamado catodo) menos

o potencial de redução da outra semipilha (potencial menor, chamado anodo).

Quando conectamos um condutor aos polos de um gerador, elétrons do polo negativo se direcionam para o polo positivo. Lem-

bre aos alunos que esse fluxo ou corrente de elétrons caracteriza aquilo que chamamos de corrente elétrica e isto não é eletrici-

dade. Deixe isso bem claro aos alunos para que eles não confundam eletricidade e o fenômeno chamado de corrente elétrica.

A linha do tempo das pilhas

Não haveria revolução industrial sem o desenvolvimento científico.

O vídeo enfatiza a necessidade de estudar paralelamente a Química e a História. Seria interessante, portanto, fazer uma análi-

se da evolução das pilhas através dos cientistas que dedicaram seu tempo a estudos nesta área e alertar seus alunos para o fato

de que a evolução da humanidade está diretamente relacionada ao desenvolvimento científico.

Leve uma pilha para a sala de aula e explique que este pequeno objeto, tão comum, é chamado de pilha seca e nada mais é do

que uma caixa metálica cheia de substâncias químicas que produzem elétrons através de uma reação química. Aproveite esse

momento para lembrar que as reações químicas que produzem elétrons são chamadas de reações eletroquímicas.

Mas lembre que a pilha sofreu uma longa transformação até chegar ao que é hoje. Você pode começar ressaltando a impor-

tância de Alessandro Volta. No século XVIII, este físico desenvolveu um dispositivo precário capaz de produzir eletricidade,

chamado de pilha de Volta ou célula voltaica, em sua homenagem.

Nessa primeira pilha, Volta empilhou discos de zinco e de prata alternadamente, separando-os com pedaços de papel mata-

borrão umedecidos com soluções salinas (sal de cozinha, ou seja, cloreto de sódio). Informe aos alunos que essas soluções

chamadas de eletrólitos, isto é, eletrolíticas, são condutoras da corrente elétrica porque são capazes de conduzir íons. Explique

que Volta observou que era possível acender uma lâmpada ligando a ela os polos da pilha de discos de zinco e prata. Desse

modo, Volta concluiu que a energia química era transformada em energia elétrica. As atuais pilhas secas são aperfeiçoamentos

dessa primeira pilha úmida, mas até chegar ao que é conhecido hoje, vários cientistas pesquisaram o funcionamento e desen-

volvimento das pilhas.

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s Converse com os seus alunos sobre as descobertas de Faraday. Explique que em 1834, o cientista inglês Michael Faraday

decidiu examinar os estudos de Volta relacionados aos fenômenos eletroquímicos. Ele realizou várias experiências e con-

seguiu provar que transformações químicas podem acontecer devido à passagem de eletricidade por meio de soluções

aquosas de compostos químicos. Os estudos de Faraday deram origem às leis da eletrólise. Mostre para os seus alunos a

definição de cada uma delas:

Primeira lei da eletrólise: “a massa de substância decomposta pela eletrólise é proporcional à quantidade de eletricidade que

atravessa o eletrólito”;

Segunda lei da eletrólise: “as massas de diferentes substâncias libertadas pela mesma quantidade de eletricidade são propor-

cionais aos respectivos equivalentes-grama”.

Ainda no século XIX, o físico-químico inglês John Frederic Daniell melhorou a eficiência das pilhas úmidas, desenvolvendo um

equipamento que ficou conhecido como pilha de Daniell. Ela é uma primeira versão da pilha seca usada até hoje. Há um trecho do

vídeo que explica detalhadamente o funcionamento desta pilha. Se achar necessário, repita a exibição deste trecho para a turma.

Dando continuidade à linha do tempo sobre o desenvolvimento das pilhas, converse com os seus alunos sobre a criação da

primeira pilha a combustível, desenvolvida em 1839 pelo britânico William Robert Grove.

Explique que Grove analisou os princípios da eletrólise (uma corrente elétrica separa o Oxigênio do Hidrogênio contido na

água) e percebeu que poderia realizar o processo inverso e assim, obter energia elétrica a partir destes elementos. Hoje, utiliza-

mos modelos de pilhas a combustível em diversos equipamentos elétricos, mas destaca-se a sua utilização nos automóveis.

Instigue seus alunos a pensarem na importância da ciência para o desenvolvimento das sociedades e pergunte a eles o que eles

acham que poderá ser criado no futuro. Deixe a imaginação deles trabalhar. Lembre, então, que a bateria de lítio era apenas

um sonho do homem até bem pouco tempo e hoje ela é uma realidade presente no dia a dia de todos.

Explique que a vantagem desta bateria está no fato de ser pequena e de longa duração. Ela dura sete vezes mais em relação

à pilha alcalina e é 30% mais leve. Aproveite para explicar que o Lítio é um elemento químico, cujo símbolo é Li. Graças ao seu

alto calor específico, o maior de todos os sólidos, o Lítio é utilizado em aplicações de transferência de calor e é devido ao seu

alto potencial eletroquímico que é usado como um anodo ideal para baterias elétricas.

mais detalhes!

Saiba mais sobre a pilha

de Daniell lendo a ma-

téria disponível no site

Ensino de Física On-Line,

da USP, disponível no

link: http://efisica.if.usp.

br/eletricidade/basico/

pilha/pilha_daniell/

mais detalhes!

Você poderá saber mais

sobre esse campo lendo

o livro digital de KRÜ-

GER, Verno; LOPES,

Cesar Valmor Machado

e SOARES, Alexandre

Rodrigues, Eletroquímica

para o Ensino Médio, do

Instituto de Química da

Universidade Federal do

Rio Grande do Sul, dispo-

nível em: http://www.

iq.ufrgs.br/aeq/html/pu-

blicacoes/matdid/livros/

pdf/eletroquimica.pdf

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De olho no futuro

A célula de combustível é uma potencial fonte de energia limpa que não agride a natureza.

Após abordar em aula a evolução das pilhas e seu funcionamento, pergunte aos seus alunos o que eles sabem sobre o descarte

das pilhas. Provavelmente, alguns dirão que as pilhas e baterias não devem ser jogadas no lixo comum, que o descarte deve ser

feito de forma apropriada e que existem locais que recolhem pilhas e baterias que não são mais utilizadas.

Aproveite este debate para explicar que as pilhas podem prejudicar o meio ambiente e até afetar a nossa saúde se não forem

descartadas corretamente. É por isso que os cientistas estão tentando desenvolver uma forma de bateria que não seja prejudi-

cial ao meio ambiente. A opção mais discutida é a célula de combustível.

Para falar sobre as células de combustível, pergunte aos alunos o que eles achariam de um carro que não precisa de gasolina ou

álcool para se movimentar. Diga, então, que existem empresas tentando desenvolver veículos motorizados ligeiros e pesados

assim e que o segredo está justamente na célula de combustível. Estes veículos são menos poluentes e mais eficientes.

Explique que a célula de combustível é uma célula eletroquímica capaz de converter continuamente a energia química de um

combustível (Hidrogênio) e de um oxidante (Oxigênio) em energia elétrica, através de um processo que envolve essencialmente

um sistema eletrodo-eletrólito. Em poucas palavras, ela pode ser reabastecida continuamente com seus próprios reagentes.

Lembre que a ideia original surgiu no século XIX e foi desenvolvida por Grove, mas ela é considerada a fonte de eletricidade

do futuro porque a célula de combustível é uma potencial fonte de energia limpa que não agride a natureza. Os reagentes da

célula de combustível, como já foi dito, são o Hidrogênio e o Oxigênio e o seu produto final é a água.

Para que a célula de combustível seja utilizada em larga escala, os cientistas precisam descobrir uma forma alternativa de pro-

duzir Hidrogênio gasoso porque hoje, esta produção é feita através da queima de combustíveis fósseis, o que polui o ambiente.

Você pode listar as vantagens e as desvantagens das células de combustível e instigar o debate entre os seus alunos. Seguem

algumas vantagens e algumas desvantagens que você pode citar em sala de aula.

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s Como vantagens, pode-se destacar:

Uma célula de combustível pode converter mais de 90% da energia contida num combustível em energia elétrica e calor;1.

Pode-se construir centrais de produção de energia através de células de combustível próximo aos pontos de fornecimen-2.

to, o que reduziria os custos de transporte e de perdas energéticas nas redes de distribuição;

A célula de combustível é capaz de gerar, além de eletricidade, vapor de água quente;3.

A utilização de células de combustível melhora a qualidade do ar pois elas produzem um nível muito inferior de dióxido de 4.

carbono; sua utilização também reduz o consumo de água e a descarga de água residual;

Na produção de células de combustível, o tamanho não exerce praticamente nenhuma influência sobre a eficiência.5.

Entre as desvantagens, além do problema de produção de Hidrogênio, está o fato da célula de combustível exigir a utilização

de metais nobres, como a Platina, um dos metais mais caros e raros no nosso planeta. Outro problema, neste início de milênio,

é a questão do elevado custo em comparação com as fontes de energia convencionais.

Atividades Analise as possibilidades de montar uma pilha de limão com seus alunos. Siga as instruções disponíveis no site Ciência em

Casa, através do link: http://cienciaemcasa.cienciaviva.pt/pilha_limao.html

Divida a turma em grupos e peça para cada grupo realizar uma pesquisa sobre um cientista que realizou estudos sobre pilhas e

baterias. Em seguida, organize uma linha do tempo da evolução de pilhas e baterias que poderá ficar exposta na escola para

outras turmas.

Peça para os alunos prepararem uma lista de equipamentos que funcionam com pilhas e baterias e depois, sugira um debate

sobre a importância das pilhas e baterias nos dias de hoje.

Crie grupos e peça que cada um deles faça uma pesquisa sobre o Lítio e também sobre os diferentes tipos de células de com-

bustível. Depois, cada grupo deverá apresentar sua pesquisa para a turma.

2.a)

b)

c)

d)

dica!

Para entender melhor

sobre as células de

combustível, leia o texto

Células de Combustível,

de SANTOS, Fernando

António Castilho Mame-

de e SANTOS, Fernando

Miguel Soares, publicado

na revista Spectrum,

p. 146-156. Disponível

através do link http://

www.ipv.pt/millenium/

Millenium29/21.pdf

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Avaliação É interessante tentar adotar uma avaliação formativa durante o uso desses recursos pedagógicos para que se possa orientar

a tomada de decisões em relação à dinâmica do processo de ensino-aprendizagem. A avaliação começa com o envolvimento

na definição de objetivos, com a proposição de critérios e com a atribuição de parâmetros geradores de conceitos e notas.

Os momentos de avaliação do grupo constituem, também, excelentes oportunidades para avaliar seu próprio trabalho e os

objetivos propostos inicialmente, reformulando e repensando ações futuras.

Os debates estabelecidos após as projeções, mesmo sendo livres, são momentos importantes para avaliar a construção de con-

teúdos conceituais, procedimentais e atitudinais. Os questionamentos apresentados pelos alunos são importantes indicadores

para determinar se os objetivos foram atingidos ou se haverá necessidade de se aprofundar mais algum conhecimento.

Questões baseadas no conteúdo apresentado no programa podem ser elaboradas e incluídas em instrumentos formais de

avaliação como provas e testes.

Interdisciplinaridade Professor, este vídeo fala dos cientistas Alessandro Volta, Michael Faraday, John Frederic Daniell, William Robert Grove e suas

descobertas, portanto, seria bastante produtivo contar com a colaboração do professor de História para participar das aulas e

sugerir atividades. Proponha que ele, após assistir ao vídeo com os alunos, promova um debate abordando o desenvolvimento

do conhecimento sobre a eletricidade e o desenvolvimento de produtos advindos deste tipo de energia que surgiram no decor-

rer do tempo, colocando-os no contexto histórico.

Peça, também, a colaboração do professor de Física. Sugira que ele mostre a interdisciplinaridade que existe entre a Química e

a Física quando surgirem temas como eletrólise, pilhas e baterias.

4.

3.

VÍDEO - AUDIOVISUAL

EQUIPE PUC-RIO

Coordenação Geral do ProjetoPércio Augusto Mardini Farias

Departamento de Química Coordenação de Conteúdos José Guerchon

Revisão Técnica Nádia Suzana Henriques Schneider

Assistência Camila Welikson

Produção de Conteúdos Moisés André Nisenbaum CCEAD - Coordenação Central de Educação a Distância Coordenação GeralGilda Helena Bernardino de Campos

Coordenação de Audiovisual Sergio Botelho do Amaral

Assistência de Coordenação de Audiovisual Eduardo Quental Moraes

Coordenação de Avaliação e Acompanhamento Gianna Oliveira Bogossian Roque

Coordenação de Produção dos Guias do ProfessorStella M. Peixoto de Azevedo Pedrosa

Assistência de Produção dos Guias do ProfessorTito Tortori

RedaçãoAlessandra Muylaert ArcherCamila WeliksonGabriel Neves

DesignIsabela La CroixRomulo Freitas

RevisãoAlessandra Muylaert ArcherCamila Welikson